Spesifisere og bruke VFD-kabler for å forbedre pålitelighet og sikkerhet og redusere karbonutslipp

Drivenheter med variabel frekvens (VFD – variable frequency drive) og motorer kan redusere karbonutslipp og øke virkningsgraden, påliteligheten og sikkerheten på tvers av ulike systemer, deriblant transportbånd, pumper, blandere, heiser, varmeventilasjons-/klimaanleggsystemer (HVAC) og lignende konstruksjoner. Kablene som kobler VFD-en til motoren er et viktig ledd i systemet. Uten riktig kabling kan operatørens sikkerhet kraftig reduseres, og motorens pålitelighet og levetid kan forringes.

Typiske VFD-systemer fungerer under tøffe forhold, som omfatter høyspenningstopper som når to til tre ganger forsyningsspenningen, og høye nivåer av utstrålt og ledet elektromagnetisk støy. I tillegg kan kablene utsettes for høye temperaturer. De må være motstandsdyktige mot olje, vann og ultrafiolett (UV) stråling, samtidig som de opprettholder en høy grad av fleksibilitet og oppfyller en rekke tekniske krav fra UL, CSA, NFPA og NEC.

Utfordrende driftsmiljøer og tekniske krav til VFD-installasjoner kompliserer spesifikasjonen av kabler. Denne artikkelen gjennomgår kort driften av VFD-er og motorer, kravene til kabelisolasjon og behovet for elektromagnetisk kompatibilitet (EMC – electromagnetic compatibility). Artikkelen sammenligner spesifikasjoner som UL 1277 TC ER, WTTC og TC-kabler og ser nærmere på NEC- og NFPA-krav. Den legger også frem overveielser for kabelstrukturer før den avslutter med en oversikt over eksempelkabler fra Belden, Helukabel, Igus, LAPP og SAB Nord-Amerika.

Miljømessige utfordringer

VFD-motorer, drivere og kabler for sammenkobling fungerer i tøffe elektriske miljøer. VFD-kabler må effektivt levere høy drivkraft ved høy spenning og håndtere høyspenningstopper og høye støynivåer. Isolasjonen i VFD-kabler utsettes for utfordrende forhold som reflekterte bølger og innledende koronaspenninger (corona inception voltages) (figur 1):

• Reflekterte bølger: Reflekterte bølger kan forårsakes av uoverensstemmende impedanser mellom en VFD-motor og den tilknyttede kabelen. Dette kan føre til at spenningsbølgene gjør et spenningssprang tilbake til drivenheten. Uten isolasjon med høy ytelse kan reflekterte bølger bryte ned isolasjonen og overopphete kabelen.
• Innledende koronaspenning / koronautladning (corona discharge): PWM-spenningene (PWM – pulse width modulation – pulsbreddemodulasjon) i VFD-systemer oscillerer raskt fra null til toppspenning. Uten riktig isolasjon vil en høyspenningstopp over kabelens innledende koronaspenning føre til at luften rundt lederen blir ionisert, noe som resulterer i koronautladning som kan smelte isolasjonen og skade motoren, motorlagrene og drivenheten.

Figur 1: VFD-kabelisolasjon må håndtere reflekterte bølger og innledende koronaspenninger. (Bildekilde: SAB North America)

Skjerming og jording

I tillegg til å motstå spenningstopper, må VFD-kabler støtte høye nivåer av elektromagnetisk kompatibilitet (EMC). Viktige faktorer for elektromagnetisk kompatibilitet omfatter følgende:

• Fellesmodusstrømmer (common mode currents) er et resultat av trefasespenningene i VFD-er som ikke summerer til null, og dette skaper en spenningsubalanse. Når spenningsnivået som ikke er null (non-zero) endres, returneres en proporsjonal kabelladestrøm gjennom jordingslederen. Overdreven fellesmodusstrøm oppretter en jordsløyfe som forstyrrer systemets ytelse.
• Sendt elektrisk støy kommer fra de variable drivfrekvensene som kan indusere elektromagnetisk interferens (EMI) og radiofrekvensinterferens (RFI) og påvirke nærliggende komponenter og systemer.

Et effektivt jordet driv-, kabel- og motorsystem skaper et Faraday-bur som sikrer robust elektromagnetisk kompatibilitet (figur 2).

Figur 2: VFD-kabler kan redusere fellesmodusstrømmer og elektrisk støy med riktige jordingstilkoblinger. (Bildekilde: SAB North America)

Kabelgjennomføring eller kanal

VFD-kabler er tilgjengelige med små diametre, slik at de kan legges i rørledninger, og som kontinuerlig sveisede kabelstrukturer som er armerte. Disse løsningene krever komplisert, kostbar installasjon og plages av potensielle pålitelighetsproblemer. Kabler for brett (TC – tray cable) som ikke krever rørledning, er tilgjengelige. Når en rørledning er tilgjengelig, kan den brukes til å lage Faraday-buret mellom drivenheten og motoren. Når forskjellige klasser av TC-er brukes, kan EMC-kabelgjennomføringer legges til for å gjøre Faraday-buret komplett. EMC-kabelgjennomføringer gir en kapslingsgrad (IP – ingress protection) på 68 som er vanntett i ferskvann til en maksimal dybde på 1,5 meter i opptil 30 minutter og er beskyttet mot støv, noe som gjør dem egnet for bruk i utfordrende industri- og utemiljøer (figur 3).

Figur 3: Kabelgjennomføringer kan brukes på tilkoblingene til drivelektronikken og motoren for å lage et Faraday-bur og styre elektromagnetisk interferens (EMI). (Bildekilde: SAB North America)

Kabelklasser

TC-er kan forenkle installasjonen og redusere kostnader. Ulike konstruksjonskriterier, slik som spenningsverdi, fleksibilitet og tester for knusing og støt, klassifiserer dem. Det er to hovedstandarder for UL. Begge standardene gjelder for kabler som er 0,75 mm² (18 AWG) eller større. De to standardene er:

UL 1277, Kabler for brett for elektrisk strøm og styring (Electric Power & Control Tray Cables), dekker flere typer TC-er som er klassifisert for 600 V.

• Grunnleggende TC-kabler er den vanligste typen og brukes som VFD-kabler der flammehemmende egenskaper er påkrevd.
• TC-ER-kabler (ER – exposed run – ubeskyttet løp) må oppfylle strengere krav til kollisjon og støt enn standard TC-kabler. De kan legges fritt mellom kabelbrettene for å gi en gjennomsnittlig avstand på 1,8 m (6 fot).
• THHN/PVC er en prisgunstig type TC-konstruksjon med en termoplastisk kappe. Den er egnet for direkte nedgraving og for kabelløp i rørledninger.

UL 2277, Fleksibel motorforsyningskabel og vindturbinkabel for brett (Flexible Motor Supply Cable & Wind Turbine Tray Cable), dekker to TC-typer klassifisert for 1000 V.

• Fleksibel motorforsyningskabel (FMSC) er hovedsakelig konstruert som en VFD-motorstrømkabel.
• Vindturbinkabel (WTTC) tåler ekstremt tøffe vindforhold i konstruksjoner med olje, slitasje, ekstreme temperaturer, vann, konstant bevegelse og så videre.

NEC og NFPA

Samsvar med NEC 79/NFPA 79 2018-utgaven er ofte, men ikke alltid, påkrevd i USA, avhengig av lokale byggeforskrifter. Standarden krever at VFD-kabler må være merket RHH, RHW, RHW-2, XHH, XHHW eller XHHW-W, definert på følgende måte:

• RHW, RHH og RHW-2 bruker gummiisolasjon for høy varme.
  • RHW betyr en vannavstøtende kabel med en temperaturklassifikasjon på +75 °C
  • RHH betyr en kabel med en temperaturklassifisering på +75 °C, som ikke er vannavstøtende
  • RHW-2 betyr en vannavstøtende kabel med en temperaturklassifisering på +90 °C
• XHH, XHHW og XHHW-W bruker XLPE-isolasjon (tverrbundet polyetylen).
  • XHH er for bruk på fuktige steder og klassifisert for +75 °C
  • XHHW er for bruk på våte steder og klassifisert for +75 °C
  • XHHW2 er for bruk på våte steder og klassifisert for +90 °C

XLPE-isolasjon er lettere og mer fleksibel enn gummiisolasjon, noe som gjør XLPE-kabler enklere å installere, spesielt i lave temperaturer. I tillegg tilbyr XLPE lavere lekkasje sammenlignet med gummiisolasjon.

Kabelkonstruksjon

Det er mange måter å implementere VFD-TC-er på. Delenummer CF31-25-04 fra Igus er et godt eksempel på mange av de vanlige elementene. Tallene i listen samsvarer med figur 4:

1. Ytre kappe laget ved å bruke trykk-ekstrudert, oljebestandig PVC-blanding. Ytre kappe, lav klebeevne, oljebestandig PVC
2. Ytre skjerming laget ved å bruke svært bøyebestandig lisse bestående av tinnbelagte kobberledninger
3. Indre kappe av trykk-ekstrudert vinkelforsterket (gusset-filling) PVC
4. CFRIP er en Igus-spesifikk rivestrimmel støpt inn i den indre kappen for å gi raskere avisolering av kabelen
5. Kjerneisolasjon av tverrbundet polyetylenplast (XLPE) har en tredimensjonal binding i plasten. XLPE har høy mekanisk styrke og lav kapasitans
6. Leder som varierer for kjerner < 10 mm² og kjerner ≥ 10 mm² basert på kravene i DIN EN 60228
7. Sentral strekkavlastning, et strekkfasthetsmateriale

Figur 4: Eksempel på en VFD-kabel som illustrerer skjermings- og strekkavlastningselementene, i tillegg til de strømførende lederne. (Bildekilde: Igus)

Flere valg

LAPP sin ÖLFLEX VFD 1XL er en familie robuste olje- og UV-bestandige VFD-drivkabler med skjerming for konstruksjoner som trenger mindre kabeldiameter. Den usedvanlig lille diameteren til XLPE-isolasjonen gjør disse kablene egnet for bruk i overfylte installasjoner der standardkabler kan være for store. I tillegg støtter den tynnere diameteren økt fleksibilitet for å få fart på installasjonen. Disse TC-ER-klassifiserte kablene kan installeres uten noen rørledning, men den mindre diameteren og fleksibiliteten forenkler bruken av rørledning når det er nødvendig. De oppfyller ytelseskravene til XHHW2. For eksempel tilbyr LAPP flere modeller med fire ledere (inkludert jord) pluss drain, for eksempel modell 701703 med ledere på 5,3 mm² (10 AWG) og modell 701717 med ledere på 33,7 mm² (2 AWG).

Helukabel tilbyr flere kabler med TC-ER- og WTTC-klassifisering, og de tilbyr ledere fra 33,7 mm² (2 AWG) til 0,75 mm² (18 AWG), for eksempel TC-modellen 63141 på 4 mm² (12 AWG). De har dobbel skjerming som kombinerer aluminiumsfolie (100 % dekning) og tinnbelagt kobberlisse (ca. 85 % dekning). De bruker XLPE-isolasjon og har PVC-kapper som er motstandsdyktige mot olje, kjølevæsker, løsemidler og rengjørings-/desinfeksjonsmidler. Disse kablene er klassifisert for åpen, ubeskyttet installasjon i kabelbrett og fra kabelbrettet til maskinen. Videre er de egnet for installasjon i rørledning eller direkte nedgraving.

Svært fleksible kabler

Belden tilbyr flere familier av TC-er med forskjellige leder- og jordkonfigurasjoner med flere isolasjons- og skjermingsmaterialer (figur 5). For installasjoner som krever svært fleksible TC-er, tilbyr selskapet HighFlex VFD-kabler med flere fleksibilitetsområder og opptil 10 millioner fleksesykluser (flex cycles). Disse TC-ene har fintrådede, tinnbelagte kobberledere, der noen modeller har over 2000 individuelle tråder og en fleksibel TPE-kappe som gjør dem elastiske, slik at de er enkle å håndtere under installasjon. For eksempel er delenummer 29501F 0101000, med TC-ER- og WTTC-klassifiseringer, utviklet for kontinuerlig bevegelse og utrustninger på maskinen, og oppfyller kravene i XHHW2 for bruk på våte steder ved opptil +90 °C. Tiltenkte bruksområder for HighFlex VFD-kabler omfatter:

• Kjøring av prosessutstyr
• Strømsetting av pumper
• Drive vifter
• Kjøring av materialtransportbånd
• Bevegelige robotarmer

Figur 5: Noen av de mange leder- og jordkonfigurasjonene og isolasjons- og skjermingsmaterialene som brukes i VFD-kabler. (Bildekilde: Belden)

SAB sine VFD-kabler er utviklet for å gi optimal elektromagnetisk kompatibilitet (EMC). En konstruksjon som er egnet for kontinuerlig bøyning er også tilgjengelig. Disse kablene oppfyller TC-ER- og WTTC-kravene, og de bruker XLPE-isolasjon til å gi forbedret kapasitans med to alternativer: En med redusert diameter og en som støtter lengre kabelløp. Forskjellige VFD-motorprodusenter har forskjellige krav til parstørrelse for VFD- og TC-kombinasjoner, og kan kreve en kabel med eller uten drain-ledning. SAB sine VFD-kabler inkluderer kabler som håndterer de fleste konstruksjonskravene, for eksempel strøm med et kombinasjonspar for bremse- eller temperaturmåling, der flere alternative parstørrelser inkluderer 0,75 mm² (18 AWG), 1,5 mm² (16 AWG), 2,5 mm² (14 AWG) og 4 mm² (12 AWG), og noen konstruksjoner med to par. De har dobbel skjerming som kombinerer folie med tinnbelagt kobberlisse, og jordsymmetriske (ground symmetrical) konstruksjoner er et alternativ. Disse kablene har en bøyeradius som er 12 ganger kabeldiameteren, og de er XHHW2-klassifisert for bruk på våte steder ved opptil 90 °C. Et godt eksempel på disse kablene er 35661204-modellen, en kabel på 4 mm² (12 AWG) med fire ledere.

Konklusjon

VFD-kabler brukes i tøffe elektriske miljøer og må tåle høye temperaturer og eksponering for vann, olje og/eller ulike kjemikalier. Spesifikasjon av disse kablene er en kompleks prosess som krever vurdering av ulike isolasjonsegenskaper, deriblant evnen til å motstå reflekterte bølger og innledende koronaspenninger, skjerming, kabelgjennomføringer for EMC-beskyttelse og UL-, NEC- og NFPA-krav. Riktig spesifiserte og installerte VFD-kabler bidrar til forenklede og billigere installasjoner, forbedret motordrift, færre karbonutslipp og bedre operatørsikkerhet.